盾構(gòu)隧道管片位移控制是確保隧道線型符合設(shè)計(jì)要求、滿足隧道建筑限界的關(guān)鍵,在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，隧道管片位移多數(shù)情況下表現(xiàn)為管片上浮，主要受到工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、襯背注漿質(zhì)量、盾構(gòu)姿態(tài)控制等方面下的影響；在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，管片上浮多數(shù)情況下是發(fā)生在硬巖地段，尤其在坡段，跟蹤測量結(jié)果顯示，在脫出盾尾后24小時(shí)（掘進(jìn)12環(huán)左右）內(nèi)管片上浮值就可以達(dá)到80～100mm，在隨后的時(shí)間里管片上浮速度有所減慢，在36小時(shí)后管片上浮量基本達(dá)到穩(wěn)定。管片上浮主要受工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、管片襯砌注漿質(zhì)量、盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制等方面的影響。位移嚴(yán)重者不得不通過調(diào)整線路來解決問題�！禛B50299-1999地下鐵道工程施工驗(yàn)收規(guī)范》規(guī)定：管片拼裝后，隧道軸線的高程和水平位移不得超過±50 mm。此文結(jié)合擬建的TJ09標(biāo)盾構(gòu)隧道工程，對地層性質(zhì)、覆土厚度、注漿材料等因素對管片上浮的影響關(guān)系進(jìn)行分析，從而揭示管片上浮的根本原因，可為制定控制管片上浮的措施提供參考和依據(jù)。
盾構(gòu)機(jī)切削刀盤直徑D與隧道管片外徑d有一定的差值，當(dāng)管片脫出盾尾后，管片與地層間產(chǎn)生一環(huán)形建筑空間。不及時(shí)填充此空間，就給管片提供了上浮條件。
所有管片運(yùn)動(dòng)都與受力不平衡有關(guān)。
根據(jù)力學(xué)原理可知，襯砌環(huán)脫出盾尾時(shí)的襯砌環(huán)受力處于不平衡狀態(tài)，襯砌環(huán)有發(fā)生運(yùn)動(dòng)的趨勢。對軟弱地層中的隧道，襯砌環(huán)脫出盾尾時(shí)受到地層作用，當(dāng)?shù)貙酉蛏献饔昧Φ暮狭εc襯砌白霞的差值大于地層對襯砌環(huán)的摩擦力時(shí)，襯砌環(huán)將發(fā)生上浮。襯砌環(huán)上浮的結(jié)果引起地層應(yīng)力的再次重分布，表現(xiàn)為隧底地層兇應(yīng)力釋放而產(chǎn)生向上的位移，同時(shí)隧道頂部地層應(yīng)力增加，上方覆土也隨之隆起。隨著地層應(yīng)力的調(diào)整，襯砌環(huán)受到的豎向合力，逐漸減小，最終襯砌結(jié)構(gòu)和地層達(dá)到了新的平衡而停止運(yùn)動(dòng)，可見軟弱地層中管片上浮的發(fā)生是
施工過程中地層應(yīng)力重分布的結(jié)果。由于在土質(zhì)地層中，地層應(yīng)力釋放、調(diào)整的過程較為緩慢，所以盾構(gòu)管片的上浮從脫出盾尾開始，持續(xù)較長一段時(shí)間才會(huì)結(jié)束。
1.1襯砌成環(huán)受力狀態(tài)
1.1.1開挖盾尾內(nèi)受力分析
成環(huán)后的襯砌管片未脫離盾尾時(shí)，在盾尾保護(hù)下和盾構(gòu)機(jī)一起運(yùn)動(dòng)。在盾構(gòu)機(jī)切削土體時(shí)，因?yàn)槠湔w重力小于已開挖的土塊單元，故其會(huì)在地層反力作用下稍有上浮，同時(shí)地層應(yīng)力進(jìn)行重分布。由于盾構(gòu)機(jī)的刀盤部分較重，盾尾較輕，故會(huì)呈現(xiàn)盾頭部分磕頭，盾尾部分上揚(yáng)的現(xiàn)象。
1.1.2管片脫離盾尾受力分析
襯砌環(huán)脫出盾尾時(shí)的力學(xué)模型 如圖 1 所示，圖中γ為土體飽和容重，H 為隧道頂部覆土厚度，R為隧道半徑，θ為襯砌環(huán)向壓力與豎向的夾角。此時(shí)地層向上作用力的合力大于襯砌重力及地層對襯砌的摩擦力，管片上浮。圖 1 中不計(jì)土拱效應(yīng)，假定土壓力沿深度方向均勻分布，隧道拱頂壓力P1 =γH ，拱底壓力P2 =γ( H+2R )。
圖 1 襯砌環(huán)脫出盾尾時(shí)的力學(xué)模型
理想狀態(tài)中，管片周圍的壓力平衡，管片沒有任何位移。但實(shí)際情況中，管片周圍的建筑間隙的漿液，掘進(jìn)姿態(tài)，土質(zhì)，漿液配比等因素對管片行程不同的壓力，形成壓力差導(dǎo)致管片產(chǎn)生位移，引起上浮形成錯(cuò)臺(tái)，甚至造成管片破碎。
1.1.3漿液對管片壓力的影響
刀盤開挖直徑與管片之間有一個(gè)建筑空隙，在管片完全脫出盾尾后，就要及時(shí)的填充這個(gè)間隙，以此來約束管片的位移。通常采用的同步注硬性單液水泥砂漿來填充這個(gè)空隙，砂漿能否填充密實(shí)并較早的提供強(qiáng)度是限制管片位移的關(guān)鍵。如果砂漿在管片脫出盾體后還是處于液體狀態(tài)，將給空心筒體狀的隧道提供一定的浮力，隧道結(jié)構(gòu)本身的自重并不能完全平衡這個(gè)浮力。
以本區(qū)間隧道外徑6m，內(nèi)徑5.4m、寬1.5m的管片為例：
（1） 管片自重：G=γ×Vc=24×8.05=193.2KN
（2） 砂漿浮力：F=ρ×g×V=1825×9.8×42.30=758.14 KN
式中：管片混凝土比重為：24KN/m³,方量為8.05 m³，一環(huán)管片所占空間體積42.30 m³。在下坡地段，管片受到的浮力還有與水頭壓力差。
（3） 管片脫出盾尾后，隧道管片在一定長度范圍內(nèi)就像兩端固定的“彈簧梁”，一端受到盾尾（盾構(gòu)機(jī)主機(jī)重350噸）的約束不能上浮，另一端受到已經(jīng)凝固的水泥砂漿的約束也不能上浮，如果“彈簧梁”越長，即管片懸浮在不能達(dá)到初凝和一定的強(qiáng)度的同步注漿漿液中越長，雖然管片間以螺栓連接，但在浮力的作用下發(fā)生彈性變形，不能完全抑止管片上浮，在浮力和外力的作用下必將產(chǎn)生上浮現(xiàn)象。
（4）盾構(gòu)機(jī)的重量主要集中在前面的盾體，盾尾至拖車五范圍內(nèi)基本無荷載，管片脫出盾尾后失去了約束，同時(shí)還受到周圍圍巖的作用，很容易引起管片的上浮。
由此可以看出，（2）、（3）、（4）項(xiàng)合力大于（1）與上層土壓力合力，即在建筑空隙填充不飽滿或漿液還處于液體狀態(tài)的情況下，管片自重及另外的兩個(gè)力無法克服砂漿的浮力，這就解釋了在管片拼裝初期隧道上浮位移發(fā)展較快的原因。
從襯背注漿的目的和對漿液的性能要求上分析，及時(shí)填充固結(jié)管片背后環(huán)形建筑空間是解決管片位移的關(guān)鍵。
本區(qū)間在含水硬巖地層的盾構(gòu)掘進(jìn)中,采用水泥砂漿通過盾尾安裝的四條注漿管路進(jìn)行同步注漿,填充襯背環(huán)形建筑空間。
漿液初凝時(shí)間> 4 h.由于本段地層屬于強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化泥質(zhì)質(zhì)泥巖、基巖裂隙水極為發(fā)育，滲透系數(shù)大( K = 3～5 m/ d) 。盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，排出的碴土呈流塑狀并時(shí)常發(fā)生噴涌。這個(gè)現(xiàn)象充分說明，此段地層是高富水地層。
從盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)到管片脫出盾尾后的工況分析來看，隧道管片在一定長度范圍內(nèi)就象兩端固定的彈簧梁，一端受到盾尾的約束不能上浮，另一端受到已凝固水泥砂漿固體的約束也不能上浮。這時(shí)，如果管片脫出盾尾后(一般情況2～3 環(huán)) ,同步注漿的漿液不能達(dá)到初凝和一定的早期強(qiáng)度，隧道管片仍然可視為浸泡在液體之中，在浮力的作用下必然會(huì)產(chǎn)生上浮現(xiàn)象。
在上述漿液配合比的情況下,其初凝時(shí)間大于24小時(shí)，顯然是初凝時(shí)間太長，不足以在管片脫出盾尾后2～3 環(huán)的時(shí)間內(nèi)將管片固結(jié)來阻止其上浮。同時(shí)，在這樣的富水硬巖地層中，漿液極可能被匯積于管片四周的水稀釋，成漿液離析、沉淀甚至不凝固，從而進(jìn)一步惡化管片穩(wěn)定的環(huán)境。
1.1.4盾構(gòu)機(jī)推力影響
本區(qū)間盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)軸線平面上有平曲線，縱斷面有豎曲線，無論是盾構(gòu)機(jī)偏離軸線以下還是線路曲線的變化，都要通過調(diào)整各組油缸推力來達(dá)到糾偏的目的。特別是在下坡時(shí)，盾構(gòu)機(jī)底部油缸推力的增大將在設(shè)計(jì)軸線法線上產(chǎn)生一個(gè)向上的分力，這個(gè)分力對管片的上浮產(chǎn)生很大的影響，特別是在同步注漿液沒有完全提供約束力的情況下。
以25‰的坡度為例，油缸千斤頂推力為平均為1200t時(shí)，法線方向的分力為25‰×1500＝300t，該分力方向是垂直于隧道軸線，施工時(shí)該力反復(fù)作用在管片上，也使管片有個(gè)上浮的趨勢。
圖2 下坡盾構(gòu)管片受力分析
總推力豎向分力受管片設(shè)計(jì)坡度、 盾構(gòu)機(jī)俯仰角、 總推力等因素影響，千斤頂豎向分力按下式計(jì)算。 F y =F 總 ×sin （θ 1 +θ 2 ） 式中， F總為千斤頂總推力； F 豎為千斤頂豎向分力； θ 1 為盾構(gòu)俯仰角； θ 2為管片設(shè)計(jì)坡度。如圖 12所示， 為總推力反力豎向分力示意圖。由圖 2及公式可知， 隨著總推力增大， 豎向分力也增加； 當(dāng)盾構(gòu)仰角向下越大時(shí)， 向上的豎向分力也隨之增大； 當(dāng)管片坡度向下增大時(shí)， 向上的豎向分力也隨之增大， 為此， 隨著總推力豎向分力的增大， 管片上浮的幾率也隨之增大。
1.1.5 土質(zhì)對管片受力的影響
本工程選用的是由中鐵裝備生產(chǎn)的 6250 型盾構(gòu)機(jī)， 其刀盤開挖直徑為 6280mm， 管片外徑為 6000mm， 為此管片外側(cè)與土體之間存在 140mm 的環(huán)形間隙， 但受管片自重的作用， 底部與土體的間隙接近為零。盾構(gòu)機(jī)在板巖地層掘進(jìn)中， 管片脫出盾尾后， 圍巖自穩(wěn)效應(yīng)好， 拱頂土體全部塌落到管片結(jié)構(gòu)需要一定時(shí)間和過程， 如管片外側(cè)空隙未及時(shí)填充， 則脫出盾尾的管片周圍處于無約束的地下水的包圍狀態(tài)，給管片的位移提供了可能的條件。盾構(gòu)隧道是空心的筒體， 在混凝土自重作用下有下沉的趨勢， 但在全斷面地下水壓力作用下， 防水性能優(yōu)良的襯砌隧道則有上浮的趨勢。以本區(qū)間盾構(gòu)隧道外徑 6.0m、 內(nèi)徑 5.4m、 寬 1.5m的管片為例：管片混凝土自重： G=ρ×g×Vc=2400×9.8×8.06≈189.6 （kN ）
（1 ）水浮力： F=ρw×g×V=1000×9.8×42.39≈415.4 （kN ）
（2 ）式中： 混凝土比重 ρ 為 2400kg/m 3 ， 管片混凝土方量 Vc 約為8.06m 2 ， 一環(huán)管片所占空間體積 V 約為 42.39m 3 。
根據(jù)計(jì)算所得， 可見管片混凝土自重 G 小于水浮力 F， 而板巖地層拱頂有較好的自穩(wěn)性， 土體施加在管片結(jié)構(gòu)上需要時(shí)間，這也解釋了在拼裝管片初期為何隧道上浮位移發(fā)展快的原因。
2 管片上浮控制
管片上浮后要想調(diào)整下來是極為困難的。一般可嘗試在隧道底部打開注漿孔泄壓,釋放管片底部的有壓水和未凝固的水泥砂漿，但此方法效果并不理想。一旦發(fā)現(xiàn)管片上浮，必須立即停止盾構(gòu)掘進(jìn)，對已上浮的管片通過注漿孔進(jìn)行二次注漿。注漿材料以瞬凝雙液漿為最好，注漿壓注順序應(yīng)順著隧道坡度方向，從隧道拱頂至兩腰，最后壓注拱底。終止注漿以打開拱底注漿孔無滲水為條件，以防止盾構(gòu)恢復(fù)掘進(jìn)后管片繼續(xù)上浮。
對于上浮段長、上浮量大、超限嚴(yán)重的隧道，必須進(jìn)行調(diào)坡調(diào)線來滿足隧道限界的要求。
2.1調(diào)整同步注漿材料配比
采用同步注漿工藝對管片外側(cè)進(jìn)行漿液填充后， 由于漿液材料存在時(shí)效性， 隨著漿液強(qiáng)度的形成和漿液初凝， 注漿層會(huì)逐漸起到穩(wěn)定管片的作用，而同時(shí)注漿層未凝結(jié)到一定強(qiáng)度以前會(huì)存在對管片的浮力， 引發(fā)管片上浮。為此， 本項(xiàng)目在施工過程中通過采用不同砂漿的配合比，調(diào)整漿液的凝結(jié)時(shí)間以控制管片的上浮。本項(xiàng)目在水量較小的地層掘進(jìn)中采用表1配合比， 在水量較大的地層掘進(jìn)中采用表2配合比。
項(xiàng)目通過控制不同點(diǎn)位的注漿壓力變化可以起到管片抗浮的目的， 當(dāng)管片上浮量較大時(shí)， 在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中， 可控制同步注漿操作中注漿點(diǎn)位和注漿壓力，同步注漿分四孔，考慮到管片上浮情況，上下部比例按，上部70%，下部30%進(jìn)行控制。同時(shí)進(jìn)行同步注漿壓力分配，盾構(gòu)機(jī)注漿壓力原則上不應(yīng)大于盾尾油脂的注入壓力，考慮本區(qū)間使用的漿液塌落度較小，泵送壓力較大，按試驗(yàn)段得出同步注漿壓力宜設(shè)定在為0.4～0.5Mpa。盾構(gòu)掘進(jìn)全過程須嚴(yán)格加強(qiáng)流量、壓力監(jiān)控
2.2 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)控制
2.2.1 盾構(gòu)推進(jìn)油缸分區(qū)控制
盾構(gòu)掘進(jìn)過程中， 千斤頂總推力受開挖面水土壓力、 盾殼外側(cè)摩擦阻力等因素的影響， 而水土壓力和摩阻力受埋深、 土性因素影響， 故總推力要與地層相匹配， 不可過度調(diào)節(jié)其大小。隧道線型在設(shè)計(jì)階段已經(jīng)確定， 故在總推力和設(shè)計(jì)坡度不可控時(shí)， 可控制盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)來影響總推力豎向分力的變化。
2.2.2 盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)控制
根據(jù)掌握地面地層情況及盾構(gòu)檢測裝置反映的數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整推進(jìn)參數(shù)及推進(jìn)方向， 避免引起更大的偏差， 當(dāng)盾構(gòu)機(jī)出現(xiàn)蛇形運(yùn)動(dòng)時(shí)， 應(yīng)以長距離慢慢修正為原則， 做到糾偏及時(shí)、 連續(xù)、 不過量， 研究猛糾猛調(diào)， 并且要注意避免糾偏時(shí)由于單側(cè)千斤頂推力過大對管片造成的破損，保證拼裝后的管片軸線偏差滿足規(guī)范要求。
2.2.3控制掘進(jìn)速度
為保證管片外側(cè)同步注漿質(zhì)量， 盾構(gòu)掘進(jìn)速度控制需要與漿液的有效初凝固結(jié)時(shí)間相匹配， 如無法達(dá)到良好的固結(jié)效果， 需要適當(dāng)調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)速度，采取勻速緩慢推進(jìn)，速度控制在30mm/min， 保證管片外側(cè)空隙注漿飽滿， 避免形成空隙后漿液被地下水沖刷、稀釋后漿液性能降低。
2.2.4 盾構(gòu)掘進(jìn)軸線控制
在上述抗浮措施均采取后， 但管片仍發(fā)生較大上浮時(shí)， 可采取保證隧道實(shí)際掘進(jìn)軸線在隧道設(shè)計(jì)軸線以下一定高度的措施。在本區(qū)間隧道推進(jìn)中，項(xiàng)目技術(shù)人員根據(jù)統(tǒng)計(jì)的管片拼裝后上浮經(jīng)驗(yàn)值，將盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)軸線高程降至設(shè)計(jì)軸線下 50mm， 以此來抵消管片襯砌后期的上浮量，使隧道中心軸線近可能地接近設(shè)計(jì)軸線。
2.3調(diào)整二次注漿材料配比控制
為嚴(yán)格控制好管片施工過程中的上浮，設(shè)立警戒值， 當(dāng)管片上浮的速率＞30mm/d， 可視為警戒， 當(dāng)管片上浮的速率＞50mm/d， 立即停機(jī)，對已出現(xiàn)上浮的管片通過注漿孔及時(shí)進(jìn)行跟蹤補(bǔ)充注漿，每掘進(jìn)一環(huán)，暫停掘進(jìn)，距盾尾2～3環(huán)位置，連續(xù)對拖出盾尾的管片頂部進(jìn)行二次液漿壓漿，按“先拱頂后兩腰,兩腰對稱，少量多次”方法注入。并對下階段的掘進(jìn)采取必要的糾偏措施。
隧道處于埋深較深的富含水硬巖地地層，管片背后環(huán)形建筑空間的存在給管片上浮造成客觀的外部條件，而在軟弱滲水土層或砂層中，雖然隧道管片也存在上浮的趨勢，隧道圍巖應(yīng)力釋放可以限制管片上浮。本文所列舉管片上浮的主要原因是因?yàn)樗淼拦芷猩细〉目臻g，由于未對上浮空間及時(shí)進(jìn)行填充固結(jié)而造成的，在施工中針對復(fù)雜多變的地質(zhì)情況，準(zhǔn)確預(yù)測地質(zhì)，對各種施工信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析及控制，通過技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的比較，適時(shí)作出合理的適應(yīng)不同地質(zhì)條件的漿液配合比，動(dòng)態(tài)管理漿液，同時(shí)，不斷收集總結(jié)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中的各種掘進(jìn)參數(shù)，摸索出不同地質(zhì)條件下與之相適應(yīng)的掘進(jìn)參數(shù)的變化規(guī)律，最大程度地控制隧道管片在施工過程階段的位移和變形，以滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。
